Рязанская Государственная
Радиотехническая академия.
Дипломный проект.
На тему:
«Получение тонкопленочных
электретов на основе фторопласта — 4,
и изготовление приборов на ихоснове.»
Выполнил студент
Гр 555
Боронтов С.П.
Рязань 2000 г.
Аннотация.
В дипломном проекте рассмотрен электретный эффект впленках фторопластата — 4 толщиной 10мкм с односторонней металлизацией алюминием. Разработана новая ячейка дляэлектретирования в плазме газового разряда. Было проведено исследование влияниятехнологических факторов на получение и характеристики электретов. Для подтверждениямодели формирования заряда проведены оптические исследования электретированныхпленок. На основе полученных мембран разработан и изготовлен макет электретногодатчика для экспериментального комплексаисследования проходимости бронхов.
Abstract.
Theelectret teflon films with 10 technological factors on process of charge formation model are followed.On base of the obtaining films model of electret chip for experimental complexfor exemination of bronchial transport is elaborated.
Содержание.
Введение.
1.Обзор литературы. 5
1.1.Электреты. Общие сведения. 5
1.2.Методы получения электретов. 5
1.3.Обзор существующих моделей электретного эффекта 17
1.3.1.Модель заряда электрета на основе неполярногодиэлектрика. 22
2.Технико-экономическое обоснование проекта 33
3.Экспериментальная часть 34
3.1.Методика получения электретов в плазме газового разряда 34
3.2.Установка для импульсного электретирования 37
3.3.Конструкция ячейки для электретирования 40
3.4.Работа установки 42
3.5.Методика измерения заряда электрета 43
3.6.Исследование влияния режимов электретирования
на характеристикиэлектретов 47
3.7.Оптические исследования электретированых пленок
фторопласта — 4 62
3.8.Областиприменения электретного микрофона 65
3.9. Проектирование электретного датчика 67
3.9.1.Расчет чувствительности микрофона 67
3.9.2.Разработка конструкции датчика 13
3.10.Выводы по экспериментальной части 77
4.Экономическая часть 78
5.Безопасность и экологичность проекта 87
6.Заключение 95
7.Библиографический список 96
Введение.
Современный уровень развития электронной техникихарактеризуется микроминиатюризацией элементов, входящих в те или иныеустройства. В этой связи на передний план выступают проблемы уменьшениягабаритных размеров, потребляемой мощности и веса элементов. Микроэлектроникауспешно решает многие из этих проблем, это связывается с развитием физики твердого тела иполупроводников.
В свою очередь применение электретных материалов — аналогов постоянных магнитов, раскрывает дополнительные горизонты и позволяетрешить многие проблемы. Это развитие ограничивается нестабильностью зарядовэлектретов и сильным влиянием внешней среды. Из активных диэлектриков электретыменее всего изучены. Темой данного дипломного проекта является получениеэлектретов на мембранах из фторопласта — 4, исследование влияния внешнихфакторов на характеристики полученных электретов и конструирование электретногомикрофона для экспериментальной установки исследования проходимости бронхов.Оптические методы исследования электретированных пленок фторопласта — 4подтвердили теорию о природе гомозаряда.
Проведенные исследования полученных мембран позволилиуточнить более технологически выгодные методы электретирования.
1.Обзор литературы.
1.1.Электреты. Общие сведения.
Электретом называюттело, которое продолжительное время сохраняет поляризацию после снятия внешнегоэлектрического поля и создающее в окружающем пространстве свое электрическоеполе.
Первое упоминание о электретах относится к 1892 году егоавтором является Хэйвисайд, а систематическое изучение этого явления началось в1919 году. Егучи исследовал электреты из карнаубского воска полученныетермическим методом, который заключался в том, что расплав охлаждали вовнешнем электрическом поле [1,2].
В дальнейшем это явление начало изучаться еще болееуглублено, и было доказано, чтопрактически все диэлектрики, помещенные в сильное электрическое поле иохлажденные в нем, создают остаточную поляризацию и на поверхности возникают поверхностныезаряды.
Многолетние исследования этого эффекта привели к тому, чтобыло разработано множество методов получения электретов, и этот вид материалов стал широкоиспользоваться в промышленности и быту [3,4,5].
1.2.Методы получения электретов.
1.2.1.Трибоэлектричество: контактнаяэлектризация.
Трибоэлектричество, то есть электризация двухдиэлектриков, находящихся в контакте друг с другом, является суммой двухэффектов: кинетического и равновесного.Кинетический эффект обусловлен, асимметричным характером трения двух кусководного и того же материала друг о друга. В этом случае вызывающий электризациюкинетический эффект связывают с тем, что трущаяся часть неподвижного кускаматериала нагревается больше, чем движущийся кусок. Для изучения электретовбольшое значение имеет равновесный эффект, известный также под названиемконтактной электризации. Этот эффект возникает уже при статическомсоприкосновении двух материалов и наблюдался еще Греем в 1732 году.
Изучение контактнойэлектризации в вакууме, где исключены такие нежелательные факторы, каквлажность воздуха, показывает, что она обусловлена передачей электронов или отизолятора или в изолятор. Этот процесс можно описать с помощью работы выхода — величины, широко используемой в теории металлов и полупроводников, применяя еетакже и к диэлектрикам.
Как метод изготовления электретов контактная электризацияшироко не применяется главным образом из-за отсутствия точнойвоспроизводимости. Это явление, однако, необходимо учитывать в тех случаях,когда диэлектрики приводят в соприкосновение с металлами или другимидиэлектриками, поскольку это вызывает эффект нежелательной электризации.
1.2.2.Методы термическойэлектризации.
Термические методы заряжения и поляризации электретовсводятся к помещению диэлектрика в электрическое поле при некоторой повышеннойтемпературе с последующим осаждением в поле. Для восков начальная температурачасто выбирается равной температуре их плавления, в тоже время для полимеров — это температура вышетемпературы стеклования и заметно ниже точки плавления. Внешнее поле можносоздать с помощью нанесенных на поверхность диэлектрика электродов (например напылением), а такжепомещением его между внешними электродами (соприкасающиеся с ними или отстоящиеот них на некотором расстоянии). При использовании внешних электродов наличиевоздушных зазоров (которые в случае приложенных к диэлектрику пластин имеютмикроскопические размеры) значительно усложняет картину процесса электризации.
Термическая электризация может сопровождаться в основномтремя типами явлений: образованием гетерозаряда вследствие внутреннейполяризации, обусловленной выстраиванием диполей (происходит при повышенныхтемпературах, когда подвижность молекул или молекулярных цепей достаточновысока, при охлаждении ориентированные диполи замораживаются, что приводит костаточной поляризации диэлектрика) или разделением зарядов внутри диэлектрика(в основе, которой лежит проводимость носителей, способных перемещаться илимежду какими то внутренними границами типа доменных стенок, или по всей толщинеэлектрета);
образованием гомозаряда вследствие прилипания к поверхности диэлектрика зарядов, поступающих извоздушных зазоров при искровых разрядах в них (возможно лишь если напряжение назазоре несколько превышает пороговое напряжение, которое для плоскопараллельнойгеометрии определяется кривой Пашена);
образованием гомозаряда, но по причине инжекции носителейчерез контакты к электродам.
Однако, границу (или границы) раздела электрод-диэлектрикво многих процессах этого типа можно считать заблокированной, так что инжекциязарядов не происходит (часто применяемые алюминиевые электроды на полимерах какраз попадают в эту категорию).В таких случаях определяющие процесс электризации параметры — напряжение итемпература — влияют на него следующим образом:
при напряжении ниже порогового напряжения для пробоя ввоздушном зазоре развивается просто внутренняя поляризация с полярностьюгетерозаряда;
при напряжении выше порогового значения для пробоя ввоздушном зазоре происходит осаждение гомозаряда с более чем линейным ростом понапряжению.
Более высокие значения напряжений, поэтому способствуюттому, что процесс осаждения зарядов превалирует над процессом внутреннейполяризации, в тоже время более высокие температуры вызывают противоположныйэффект.
Преимуществом всех вариантов методов термическойэлектризации является большая стабильность поляризации как поверхностных, так иобъемных зарядов, достигаемая в некоторых неполярных материалах Метод идеальноподходит и для поляризации дипольных электретов в цепях различныхпьезоэлектрических приложений. Это делает термический метод наиболеепредпочтительным в промышленных способах электризации Недостатками термическойэлектризации являются поперечная, то есть поперек поля, а значит вдольповерхности неоднородность распределения зарядов в поверхностно — и объемно — заряженных электретах и невысокая скорость процесса электризации.
1.2.3.Методы изотермическогоосаждения зарядов.
В основе этихметодов лежит перенос заряда, сопровождающий электрический разряд в воздушномзазоре. Поскольку нагрев образца в этих случаях не производится, образованиегетерозаряда в следствии диэлектрического поглощения в общем не происходит. Впоследнее время методы осаждения зарядовприобрели большое значение из-за той легкости и скорости, с какой они позволяютэлектризовать пленки полимеров при сохранении высокой степени поляризации.
Наиболее широко используется метод коронного разряда,который возникает в неоднородном магнитном поле уже при нормальном атмосферномдавлении. Для создания такого поля над диэлектриком, нижняя поверхностькоторого покрыта плоским электродом, на некотором расстоянии от него (илинепосредственно на нем) помещают верхний электрод в форме иглы или ножа. Принапряжениях между электродами, превышающими некоторое пороговое значениепроисходит, протекание тока.
Если на верхний электрод подать отрицательное напряжение,как это делают при электретировании тефлона, то по направлению к диэлектрикутекут отрицательные носители заряда. В воздухе при нормальном атмосферномдавлении такими носителями в первую очередь являются ионы СО3 сэнергиями близкими к средне тепловой. Из-за малой величины этой энергии ионыосаждаются в поверхностном слое и не проникают внутрь материала. Возможно, чтоони передают свой заряд поверхностным ловушкам и возвращаются обратно в воздух.Эффективность проникновения заряда в объем зависит от полярности и плотностизарядов, а также от свойств поверхности.
Аппаратура для электризации с помощью коронного разрядаоткрывает широкие возможности для управления и контроля за процессомэлектризации. Обычно установка состоит из электрода в виде острия иглы,потенциал которого относительно иглы порядка нескольких киловольт, ипроволочной сетки с потенциалом несколько сотен вольт. Сетка служит дляуправления током в образце, имеющим первоначально колоколообразноераспределение, “затененное” проволочками сетки. Однако, получающиеся, в концеконцов, распределение осажденных зарядов, в конечном счете, однородным, еслиэлектризацию довести до такого состояния, когда потенциал всей поверхностиобразца достигает состояния насыщения. При этом он сравнивается с потенциаломсетки. Если конструкция допускает контроль потенциала поверхности образца итока в нижний электрод, то удается проследитьза эквивалентной поверхностной плотностью заряда и током проводимости черезобразец в течение всего процесса электризации.
Для непрерывнойэлектризации длинных полос пленки используют следующую разновидность этогометода. Полоса диэлектрика двигается от падающей катушки, проходит область, гдепроисходит коронный разряд, минует участок, где измеряется осажденный заряд, инаматывается на приемную катушку. В установке используется электрод в виде иглыили ножа.
Преимуществами короной электризации являются простотааппаратуры и довольно высокая скоростьпроцесса. Устройства, не оборудованные сеткой, имеют тот недостаток, чтораспределение заряда имеет большую неоднородность в поперечном направлении.Кроме того, необратимое понижение температуры, соответствующее пиковомузначению тока при его термической стимуляции в режиме короткого замыкания,указывает на худшую стабильность запасенного заряда при определенных условиях,Тем не менее преимущества этого метода сделали его весьма популярным в широкомасштабном производстве пленочных электретов для электретных микрофонов.Широкое распостранение это получило также в ксерографии.
Для изотермической электризации диэлектрических пленоквозможно применение также методов искрового разряда. Для получения удовлетворительныхплотностей заряда без нарушения участков пленки возникающими дуговыми разрядамииспользуется толстая диэлектрическая прокладка между пленкой и электродом.Более низкое сопротивление материала вставки придает ей роль защитногодобавочного сопротивления.
При подключении к источнику напряжения такой конструкции ссэндвичем перенос заряда осуществляетсяпостепенно через воздушные микроскопические зазоры между диэлектрическойпрокладкой и пленкой, в которой возникаю уже контролируемые электрические разряды.Здесь, как и при коронном разряде, осажденный заряд переносится ионнымиобразованьями. Помимо защиты от разрушительного действия возникающих дуговыхразрядов через пленку диэлектрическая прокладка позволяет также выниматьпленочный электрета без потерь из-за пробоев в воздушном зазоре.
К достоинствам метода можно отнести высокую стабильность иравномерность заряда, а к недостаткам малую его величину и необходимостьподбора диэлектрической прокладки при изменение режимов электретирования.
1.2.4.Электризация с использованиемжидкостного контакта.
В этом методе электризации используют контакт междуэлектродом и диэлектриком, причем для достижения большой плотностисоприкосновения его с поверхностью электрета в зазор вводят небольшоеколичество жидкости. Не металлизированная сторона диэлектрика, напримерполимерной пленки с метализированой нижней поверхностью, находится в контакте свлажным электродом так, что между ними остается небольшой слой жидкости. Вкачестве жидкостей используются чаще всего вода или этиловый спирт. При подаченапряжения между электродом и нижней метализированой поверхностью на обеихграницах раздела жидкость — твердое тело образуются двойные заряженные слои.Перенос заряда на полимерную пленку обеспечивается силами электростатического имолекулярного взаимодействия. В нижний электрод притекает компенсирующий заряд, равный осажденному по величине заряда и противоположный по знаку. Путемперемещения электрода вдоль поверхности электрета удается наэлектризоватьдолжным образом большие площади его поверхности. Что бы не допустить потеризарядов на поверхности электретов, заряжающий электрод перед снятием напряженияследует отнести от нее (или испарить жидкость). Кроме того при использовании вэтом методе жидкости, не смачивающей поверхности пленки электрета, можнообеспечить запись потенциального рельефа с высоким разрешением, что важно дляконтроля за изготовлением электрета, так и для изучения процессовэлектретирования.
Жидкостно-контактный метод позволяет также изготовить монозаряженный электрет, обладающий лишь зарядами одного знака. Этого можнодостичь, помещая между двумя электродами неметализированный диэлектрик так,чтобы оставалось два воздушных зазора, и затем заполняя их жидкостью. Тогда,если при испарении жидкости напряжение на электродах поддерживать неизменным,на одну из сторон диэлектрика через жидкость будут поступать заряды одногознака, и оставаться в нем. Компенсационный заряд останется на втором электроде.
Преимущество жидкостно-контактного метода служат его простота,возможность управления начальной плотностью заряда с помощью приложенногонапряжения и однородность распределения зарядов в поперечных направлениях.
1.2.5.Метод электризации частичнопроникающими пучками электронов и ионов.
История применения методов инжекции моноэнергетическихпучков частиц с глубиной проникновения в образец, меньшей его толщины,датируется временами 50 летней давности. Совершенствование этих методов впоследние годы привело к тому, что они превратились в чрезвычайно многостороннийи гибкий в управлении инструмент электризации диэлектриков.В большинстве методов используютсямоноэнергетические электроны, которым при той же глубине проникновениятребуется гораздо меньше по сравнению с ионами энергия (и как следствие гораздобольшие разрушения материала), поэтому рассмотрим электризацию ионными пучками,как наиболее широко применяемую.
Если рассмотретьзависимость практического пробега электронов от энергии в ряде диэлектриков,используемых для производства диэлектриков, становится, очевидно, что пучки сэнергиями 0.5 — 1 МэВ, которые можноиспользовать при нормальных атмосферных условиях, оказываются пригодными дляэлектризации образцов толщиной 0.1 см и более. Для более тонких образцовэнергию электронов можно понизить, при этом инжекция может производится тольков вакууме.
Физическая картина процесса электризации образца, нижняясторона которого, то есть сторона, которого не обращена к пучку, металлизирована и заземлена, исводится к следующему; ударяясь о поверхность образца. Электроны выбивают понесколько вторичных электронов, приводя к образованию в близи поверхностиположительно заряженного слоя. Выход эмиссии вторичных электронов, определяемыйотношением числа инжектированных электронов к числу первичных, зависит отэнергии электронов и свойств поверхности. Проникая в глубь диэлектрика,электроны генерируют пары вторичных носителей, с относительно небольшойэнергией, так что последние быстро захватываются. Присутствие вторичныхэлектронов обуславливает проводимость, которая оказывается, таким образом,индуцированной облучением (радиационная проводимость). Она на несколькопорядков превышает собственную проводимость материала. Вследствие столкновенияпервичные электроны замедляются и, в конце концов, захватываются, что приводитк начальному распределению отрицательного заряда, простирающегося на среднююглубину, составляющую 2/3 от практического пробега, В зависимости отнаправления поля возможны также дополнительные движения зарядов. В образце,металлизированном лишь с одной стороны, сила со стороны поля направлена кэлектроду (имеется, правда небольшое притяжение к положительно заряженномуслою), таким образом, большинство электронов проникает дальше средней глубины вобласть образца, где радиационная проводимость все еще достаточно высока ипозволяет электронам двигаться вперед, а дыркам назад. Этот процесс завершаетсяв течение нескольких минут после процесса облучения.
При практическом осуществлении электронно-пучковойметодики используют горячие катоды или высоко частотные разряды, устройстваэлектронной фокусировки пучков и ускоряющие напряжения 5-50 кВ. Иногда длядостижения однородной по облучаемой по площади плотности тока применяютсканирующие пучки. В частности, в качестве источника электронного пучка часто применяютсканирующий микроскоп. Из-за высокой однородности его пучка по поперечномусечению, такие приборы можно применять как в статическом, так и сканирующемрежимах. В камере, куда в качестве мишени помещают образцы диэлектрика, имеетсямеханическая диафрагма. Выдержка приоткрытой диафрагме изменяется от 1 мс донескольких секунд. В течение облучения контролируют ток в нижний (обычнометаллизированный электрод), соответствующий по своей величине полному токуинжекции, таким образом, диэлектрик удается зарядить до заранее установленнойвеличины заряда. Этот метод удается также приспособить для электретированиядлинных полос диэлектрика с использованием лентопротяжного механизма.Преимуществом метода электризации электронными пучками является то, что он позволяетполностью контролировать глубину проникновения зарядов, их распределение поповерхности и плотности заряда. Эти качества позволяют широко применять этотметод для производства мембран для электретных микрофонов, а также приисследовании свойств электретов.
1.2.6.Методы электризации,использующие проникающее излучение.
Электризация диэлектрика может быть достигнута действиемполностью проникающей радиации различных видов. Роль излучения в этом случаесводится к генерации носителей заряда, а ответственное за результирующуюэлектризацию внутреннее смещение возникает при включении внешнего поля и всамом внутреннем поле диэлектрика.
В классическойсхеме электризации этого типа диэлектрический образец, между поверхностямикоторого приложено напряжение, подвергается действию проникающей радиации,источником которой может быть ускоритель частиц. Рентгеновская установка илипросто радиоактивный источник. После получения образцом дозы 1-106 рад действие облучения прекращается инапряжение снимают. Электризация объясняется молекулярной ионизацией споследующим дрейфом и захватом носителей. Излучения производят генерациюэлектронно-дырочных пар, которые в присутствии приложенного поля дрейфуют кэлектродам, что и приводит к разделению заряда. Постепенно носителизахватываются, и диэлектрик приобретает гетерозаряд.
Электризация диэлектриков с помощью проникающей радиациивозможна также и в отсутствии приложенного электрического поля. Этот методоснован на использовании гамма и рентгеновских лучей высокой энергии длясоздания комптоновских электронов. Рассеивание этих электронов спреимущественным направлением вперед приводи к пространственному распределениюзарядов, и, следовательно, к поляризации диэлектрика. С уменьшением энергиипервичных фотонов распределении электронов быстро становится изотропным,поэтому этот эффект сильнее проявляется при больших значениях падающих фотонов(примерно 1 МэВ), таким образом, очевидно, что для получения оптимальнойполяризации необходимо использовать толстые образцы.
1.2.7.Фотоэлектретный процесс.
Фотоэлектретный процесс во многих отношениях весьма похожна обсуждавшиеся выше способы изготовления электретов, только здесь вместорадиационного облучения используется свет. Материалы обычно фотопроводники,покрывают с одной или с обеих сторон прозрачными электродами и облучаютультрафиолетовым или видимым светом в присутствии приложенного электрическогополя. После выключения света и снятия напряжения у диэлектрика обнаруживаетсясохраняющаяся с течением времени поляризация. Такой диэлектрик называютфотоэлектретом.
Эту поляризацию приписывают генерации носителей светом споследующим смещением их в приложенном поле, заканчивающимся захватом.Генерация носителей светом легко осуществляется, если длинны волн последнегокороче границы поглощения данного фотопроводника. Смещение носителей, вызванноедействием приложенного поля, определяется как их подвижностями в объемематериала, так и высотой потенциального барьера на границе диэлектрик –электрод. Если объемные подвижности носителей обоих типов велики, а указанныебарьеры высоки для носителей хотя бы одного типа, заряды будут накапливаться наодной или обоих границах раздела диэлектрик-электрод. Так мы получим “барьернуюполяризацию”. Если, однако, подвижности таковы, что заметно смещаются лишьносители одного типа, или излучение неоднородно по толщине образца, то мыпридем к “объемной поляризации”. Этот процесс, очевидно, происходит внезависимости от величины потенциального барьера. В течение действия светавозможны процессы захвата носителей, их уход с ловушек и повторного захвата.После прекращения облучения распределение зарядов в основном “замораживается”хотя некоторая темновая релаксация все же остается.
Фотоэлектретный процесс как метод изготовления электретовпрактически не используется, что связано с малой стабильностью и величинойполучаемого заряда, зато обратный процесс – снятие поляризации фотопроводниковпутем облучения светом имеет огромное значение в ксерографии и при исследованиидругих электретов.
1.3.Обзор существующихмоделей электретного эффекта
Первое объяснение электретного эффекта было предложеноЕгучи в 1920—1925 г. Основываясь на экспериментально доказанном фактеобъемности электретного заряда, Егучи сделал вывод, что при нагреваниидиэлектрика полярные молекулы в нем получают возможность ориентироваться поддействием поля, а при остывании материала в присутствии электрического полямолекулы теряют способность к вращению и остаются в ориентированном состоянии.Упорядоченное расположение дипольных молекул может сохраняться достаточнодолго, поэтому после выключения внешнего поля в диэлектрике сохраняетсяостаточная поляризация, а на поверхности располагаются связанные заряды.
Другой японский физик Сато пытался объяснить электретныйэффект “замораживанием” ионов. В расплавленной смеси положительные ионы поддействием электрического поля смещаются к катоду, а отрицательные — к аноду.После застывания смеси при наличии внешнего электрического поля ионы остаютсясмещенными, так как электропроводность воска в твердом состоянии значительноуменьшается.
Недостатком недостаток этих теорий в том, что они нерассматривали возможность образования гомозаряда. Впервые объяснить егосуществование попытался Наката в 1927 г., связывая появление гомозаряда сконтактными явлениями на границе металл—диэлектрик[2].
Адамс в 1927 г. впервые высказал идею двойственностизарядов в электрете. Он предположил, что гетерозаряд электрета вызваностаточной поляризацией, возникающей в диэлектрике вследствие ориентациидипольных молекул в сильном электрическом поле, с большим временем релаксации.Гомозаряд обусловлен свободными зарядами, которые стремятся компенсироватьсвязанные, вследствие омической проводимости материала электрета. Причем в начальный момент времени после электретизациигетерозаряд полностью нейтрализован свободным зарядом, так что полный зарядэлектрета равен нулю. Затем остаточная поляризация начинает уменьшаться, и наповерхности электрета появляется свободный заряд, совпадающий по знаку сгомозарядом. Этот свободный заряд возрастает, а затем начинает спадать впоявившемся внутреннем поле электрета. Присутствие двух зарядов различнойприроды, изменяющихся со временем по различным законам, дает возможностьобъяснить основные свойства электретов.
Согласно Адамсу гетерозарядспадает в следствие тепловой разориентации по закону:
(1.1)
где – величина, обратная периоду релаксацииостаточной поляризации.
Релаксация гомозаряда поАдамсу определяется электропроводностью вещества
. (1.2)
Здесь — поле незакороченного электрета, — электропроводность вещества, — относительная диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая постоянная.
Измеряемая поверхностная плотностьзаряда равна разности величин реального заряда (гомозаряда) и остаточной поляризации , так что в любоймомент времени справедливо выражение
. (1.3)
Решение уравнения (1.3) сучетом выражений (1.1) и (1.2) имеет вид
(1.4)
где — величина, обратная времени релаксациигомозаряда.
Из последнего выражениялегко находится время, при котором заряд достигает максимального значения, атакже определяется величина этого заряда
Недостаток теории Адамса указал Гемант[3]. Онподчеркнул, что наблюдаемая величина и устойчивость гомозаряда объяснимы лишьпри такой величине начальной поляризации, которая не может быть достигнута вдиэлектрике даже при полной ориентации всех диполей. Поэтому Гемантпредположил, что гетерозаряд термоэлектретов обусловлен смещениемслабосвязанных ионов и “замораживанием” их в потенциальных ямах при охлаждениидиэлектрика в электрическом поле. Возникновение гомозаряда Гемант связывал спьезоэлектрическим эффектом, вызванным деформацией диэлектрика в направлении,перпендикулярном поляризующему полю.
В 1953 г. Гемант предпринял попытку создать молекулярнуютеорию электретного эффекта. Согласно новой теории гетерозаряд образуется путемсмещения ионов и ориентации диполей при поляризации, а гомозаряд возникает вследствие ионизации воздушного промежутка междудиэлектриком и электродом и инжекции зарядов в диэлектрик, если поляризующееполе имеет достаточную напряженность.
Переход гетерозаряда в гомозаряд происходит путемнейтрализации смещенных к электродам ионов ионами проводимости. Частьгетерозаряда при этом исчезает, и число инжектированных ионов, противоположныхпо знаку смещенным ионам, начинает превышать число связанных диполей. Результирующийзаряд электрета соответствует по знаку гомозаряду, т. е.
Временные зависимости поверхностной плотности зарядаэлектрета
Рисунок 1.1.
1 — гетерозаряд; 2 — гомозаряд; 3 — суммарный заряд
происходит обращение знака заряда. Длительное сохранениеэлектретного состояния объясняется тем, что инжектированные ионы притягиваютсяк диполям, а последние образуют устойчивую доменную структуру. Таким образомдлительное существование как гетеро– так и гомозаряда в электрете объясняетсяустойчивой остаточной дипольной поляризацией.Характер изменения заряда электрета во времени при этом определяетсясуперпозицией релаксации гомо– и гетерозарядов.
В 1944 г. Гросс, основываясь представлениях Адамса, выдвинул новую теориюэлектретного эффекта, отказавшись от молекулярного рассмотрения механизмаобразования гетеро– и гомозарядов электретов. Согласно предложенной теориигетерозаряд может быть образован по одному из трех механизмов: “вмерзание”ориентированных диполей после остывания диэлектрика, “вмерзание” сместившихся вэлектрическом поле ионов, “застывание” зарядов образованных намакронеоднородностях диэлектрика.
Гомозаряд, по Гроссу, образуется благодаря переходузарядов из электродов в диэлектрик в процессе поляризации. Основную роль здесьиграют локальные пробои воздуха в промежутке электрод—диэлектрик. При каждомтаком пробое образуется лавина электронов и ионов, которые осаждаются наповерхности электрета и затем втягиваются электрическим полем внутрь.<